数字频率计设计毕设论文.docx
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数字频率计设计毕设论文
摘要
数字频率计是一种基本的测量仪器。
它被广泛应用于航天、电子、测控等领域,还被应用在计算机及各种数学仪表中。
一般采用的是十进制数字,显示被测信号频率。
基本功能是测量正弦信号,方波信号以及其他各种单位时间内变坏的物理量。
由于其使用十进制数显示,测量迅速精确,显示直观,所以经常被用来使用。
本文主要介绍数字频率计的设计和调试,本作品是基于STC89C52单片机作为平台,基本原理是通过STC89C52单片机进行频率的采集和分析工作,在通过程序使其显示在LCD1602的液晶显示屏上,通过液晶显示屏,让使用者能够直观的看到当前的输入频率是多少。
由于STC89C52单片机只能处理数字信号因此系统需要先把信号放大成方波信号,再通过施密特触发器整形方波,又由于单片机能处理的频率有限,所以这次我们先用74HC390芯片对输入的信号进行了分频,使其降低了100倍,才送去给单片机处理,如果频率高于200KHZ的时候就计算分频后的频率,得到数据再换算成真实的频率。
关键字:
单片机,LCD显示屏,分频器
ABSTRACT
Digitalfrequencymeterisabasicmeasuringinstruments.Itiswidelyusedinaerospace,electronics,measurementandcontrol,etc.,itisalsousedincomputerandmathematicalinstrument.Generallyusingadecimalnumber,itdisplaysthesignalfrequency.Thebasicfunctionistomeasuresinusoidalsignal,square-wavesignal,andvariousotherunitswithinthetimedeteriorationofphysicalquantities.Duetotheuseofdecimaldisplay,rapidmeasurementprecision,intuitivedisplay,itisoftenusedtouse.
Thispaperdescribesadigitalfrequencymeterdesignanddebugging,thepresentworkisbasedSTC89C52microcontrollerasaplatform,thebasicprincipleisthecollectionandanalysisoftheoperatingfrequencythroughSTC89C52microcontroller,throughtheprogramtodisplayontheLCD1602LCDscreen,theLCDdisplay,allowinguserstovisuallyseethecurrentinputfrequencyis.
Sinceonlysingle-chipdigitalsignalprocessingSTC89C52sothesystemneedtoputasquarewavesignalisamplifiedsignal,andthenthroughtheSchmitttriggershapingasquarewave,butalsoduetothelimitedfrequencymicrocontrollercanhandle,sothistimewewillstartwith74HC390chipinputThesignalisafrequency,itreducesby100times,wassenttothemicrocontrollerprocessingfrequencyifthefrequencyishigherthanthefrequencyafter200KHZwhenitcalculatedtoobtainthedataandthenconvertedintorealfrequency.
Keywords:
microcontroller,LCDdisplay,divider.
第1章整体框架
1.1课题任务
本系统设计制作一个基于单片机的频率计。
1.2课题要求
能实现以下几种功能:
(1)能够对1HZ对10MHZ正弦波、三角波、方波信号等周期信号的频率进行测量。
(2)系统能够把测量信号的频率显示在液晶屏幕上。
(3)系统能够把测量信号的周期显示在液晶屏幕上。
1.3研究意义
在电子测量领域中,频率测量的精确度是最高的。
因此,在生产过程中许多物理量,例如温度、压力、流量、液位、PH值、振动、位移、速度、加速度,乃至各种气体的百分比成分等均用传感器转换成信号频率,然后用数字频率计来测量,以提高精确度。
国际上数字频率计的分类很多。
按功能分类,因计数式频率计的测量功能很多,用途很广。
所以根据仪器具有的功能,电子计数器有通用和专用之分。
一、通用型计数器:
通用型计数器是一种具有多种测量功能、多种用途的万能计数器。
它可测量频率、周期、多周期平均值、时间间隔、累加计数、计时等;若配上相应插件,就可测相位、电压、电流、功率、电阻等电量;配上适当的传感器,还可进行长度、重量、压力、温度、速度等非电量的测量。
二、专用计数器:
专用计数器指专门用来测量某种单一功能的计数器。
如频率计数器,只能专门用来测量高频和微波频率;时间计数器,是以测量时间为基础的计数器,其测时分辨力和准确度很高,可达ns数量级;特种计数器,它具有特种功能,如可逆计数器、阈值计数器、差值计数器、倒数计数器等,用于工业和自控技术等方面。
数字频率计按频段分类:
①低速计数器:
最高计数频率<10MHz;②中速计数器:
最高计数频率10—100MHz;③高速计数器:
最高计数频率>100MHz;④微波频率计数器:
测频范围1—80GHz或更高。
由于大规模和超大规模数字集成电路技术、数据通信技术与单片机技术的结合,数字频率计发展进入了智能化和微型化的新阶段。
其功能进一步扩大,除了测量频率、频率比、周期、时间、相位、相位差等基本功能外,还具有自捡、自校、自诊断、数理统计、计算方均根值、数据存储和数据通信等功能。
可见,频率计是很有工业价值的。
本作品即为一个基于单片机的数字频率计,它通74HC390芯片进行分频,克服了单片机难以处理高频信号的困难,并使用LCD1602液晶显示进行显示。
第2章设计方案
2.1硬件部分
根据所要实现的功能划分,系统一共需要以下几个模块:
主控模块、显示模块、时钟模块、温度检测模块,以下就针对这几个模块的选型和论证进行讨论。
2.1.1主控模块
主控模块模块在整个系统中起着统筹的作用,需要检测键盘,温度传感器等各种参数,同时驱动液晶显示相关参数,在这里我们选用了51系列单片机中的STC89C52单片机作为系统的主控芯片。
51系列单片机最初是由Intel公司开发设计的,但后来Intel公司把51核的设计方案卖给了几家大的电子设计生产商,譬如SST、Philip、Atmel等大公司。
因此市面上出现了各式各样的均以51为内核的单片机。
这些各大电子生产商推出的单片机都兼容51指令、并在51的基础上扩展一些功能而内部结构是与51一致的。
STC89C52有40个引脚,4个8位并行I/O口,1个全双工异步串行口,同时内含5个中断源,2个优先级,2个16位定时/计数器。
STC89C52的存储器系统由4K的程序存储器(掩膜ROM),和128B的数据存储器(RAM)组成。
STC89C52单片机的基本组成框图见图2-1。
图2-1STC89C52单片机结构图
2.1.1.1STC89C52单片机主要特性
1.一个8位的微处理器(CPU)。
2.片内数据存储器RAM(128B),用以存放可以读/写的数据,如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据等,SST89系列单片机最多提供1K的RAM。
3.片内程序存储器ROM(4KB),用以存放程序、一些原始数据和表格。
但也有一些单片机内部不带ROM/EPROM,如8031,8032,80C31等。
目前单片机的发展趋势是将RAM和ROM都集成在单片机里面,这样既方便了用户进行设计又提高了系统的抗干扰性。
SST公司推出的89系列单片机分别集成了16K、32K、64KFlash存储器,可供用户根据需要选用。
4.四个8位并行I/O接口P0~P3,每个口既可以用作输入,也可以用作输出。
5.两个定时器/计数器,每个定时器/计数器都可以设置成计数方式,用以对外部事件进行计数,也可以设置成定时方式,并可以根据计数或定时的结果实现计算机控制。
为方便设计串行通信,目前的52系列单片机都会提供3个16位定时器/计数器。
6.五个中断源的中断控制系统。
现在新推出的单片机都不只5个中断源,例如SST89E58RD就有9个中断源。
7.一个全双工UART(通用异步接收发送器)的串行I/O口,用于实现单片机之间或单机与微机之间的串行通信。
8.片内振荡器和时钟产生电路,但石英晶体和微调电容需要外接。
最高允许振荡频率为12MHz。
SST89V58RD最高允许振荡频率达40MHz,因而大大的提高了指令的执行速度。
图2-2STC89C52单片机管脚图
部分引脚说明:
1.时钟电路引脚XTAL1和XTAL2:
XTAL2(18脚):
接外部晶体和微调电容的一端;片内它是振荡电路反相放大器的输出端,振荡电路的频率就是晶体固有频率。
若需采用外部时钟电路时,该引脚输入外部时钟脉冲。
要检查振荡电路是否正常工作,可用示波器查看XTAL2端是否有脉冲信号输出。
XTAL1(19脚):
接外部晶体和微调电容的另一端;在片内它是振荡电路反相放大器的输入端。
在采用外部时钟时,该引脚必须接地。
2.控制信号引脚RST,ALE,PSEN和EA:
RST/VPD(9脚):
RST是复位信号输入端,高电平有效。
当此输入端保持备用电源的输入端。
当主电源Vcc发生故障,降低到低电平规定值时,将+5V电源自动两个机器周期(24个时钟振荡周期)的高电平时,就可以完成复位操作。
RST引脚的第二功能是VPD,即接入RST端,为RAM提供备用电源,以保证存储在RAM中的信息不丢失,从而合复位后能继续正常运行。
ALE/PROG(30脚):
地址锁存允许信号端。
当8051上电正常工作后,ALE引脚不断向外输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率fOSC的1/6。
CPU访问片外存储器时,ALE输出信号作为锁存低8位地址的控制信号。
平时不访问片外存储器时,ALE端也以振荡频率的1/6固定输出正脉冲,因而ALE信号可以用作对外输出时钟或定时信号。
如果想确定8051/8031芯片的好坏,可用示波器查看ALE端是否有脉冲信号输出。
如有脉冲信号输出,则8051/8031基本上是好的。
ALE端的负载驱动能力为8个LS型TTL(低功耗甚高速TTL)负载。
此引脚的第二功能PROG在对片内带有4KBEPROM的8751编程写入(固化程序)时,作为编程脉冲输入端。
PSEN(29脚):
程序存储允许输出信号端。
在访问片外程序存储器时,此端定时输出负脉冲作为读片外存储器的选通信号。
此引肢接EPROM的OE端(见后面几章任何一个小系统硬件图)。
PSEN端有效,即允许读出EPROM/ROM中的指令码。
PSEN端同样可驱动8个LS型TTL负载。
要检查一个8051/8031小系统上电后CPU能否正常到EPROM/ROM中读取指令码,也可用示波器看PSEN端有无脉冲输出。
如有则说明基本上工作正常。
EA/Vpp(31脚):
外部程序存储器地址允许输入端/固化编程电压输入端。
当EA引脚接高电平时,CPU只访问片内EPROM/ROM并执行内部程序存储器中的指令,但当PC(程序计数器)的值超过0FFFH(对8751/8051为4K)时,将自动转去执行片外程序存储器内的程序。
当输入信号EA引脚接低电平(接地)时,CPU只访问外部EPROM/ROM并执行外部程序存储器中的指令,而不管是否有片内程序存储器。
对于无片内ROM的8031或8032,需外扩EPROM,此时必须将EA引脚接地。
此引脚的第二功能是Vpp是对8751片内EPROM固化编程时,作为施加较高编程电压(一般12V~21V)的输入端。
3.输入/输出端口P0/P1/P2/P3:
P0口(P0.0~P0.7,39~32脚):
P0口是一个漏极开路的8位准双向I/O口。
作为漏极开路的输出端口,每位能驱动8个LS型TTL负载。
当P0口作为输入口使用时,应先向口锁存器(地址80H)写入全1,此时P0口的全部引脚浮空,可作为高阻抗输入。
作输入口使用时要先写1,这就是准双向口的含义。
在CPU访问片外存储器时,P0口分时提供低8位地址和8位数据的复用总线。
在此期间,P0口内部上拉电阻有效。
P1口(P1.0~P1.7,1~8脚):
P1口是一个带内部上拉电阻的8位准双向I/O口。
P1口每位能驱动4个LS型TTL负载。
在P1口作为输入口使用时,应先向P1口锁存地址(90H)写入全1,此时P1口引脚由内部上拉电阻拉成高电平。
P2口(P2.0~P2.7,21~28脚):
P2口是一个带内部上拉电阻的8位准双向I/O口。
P口每位能驱动4个LS型TTL负载。
在访问片外EPROM/RAM时,它输出高8位地址。
P3口(P3.0~P3.7,10~17脚):
P3口是一个带内部上拉电阻的8位准双向I/O口。
P3口每位能驱动4个LS型TTL负载。
P3口与其它I/O端口有很大的区别,它的每个引脚都有第二功能,如下:
P3.0:
(RXD)串行数据接收。
P3.1:
(RXD)串行数据发送。
P3.2:
(INT0#)外部中断0输入。
P3.3:
(INT1#)外部中断1输入。
P3.4:
(T0)定时/计数器0的外部计数输入。
P3.5:
(T1)定时/计数器1的外部计数输入。
P3.6:
(WR#)外部数据存储器写选通。
P3.7:
(RD#)外部数据存储器读选通。
2.1.1.2STC89C52单片机的中断系统
STC89C52系列单片机的中断系统有5个中断源,2个优先级,可以实现二级中断服务嵌套。
由片内特殊功能寄存器中的中断允许寄存器IE控制CPU是否响应中断请求;由中断优先级寄存器IP安排各中断源的优先级;同一优先级内各中断同时提出中断请求时,由内部的查询逻辑确定其响应次序。
在单片机应用系统中,常常会有定时控制需求,如定时输出、定时检测、定时扫描等;也经常要对外部事件进行计数。
STC89C52单片机内集成有两个可编程的定时/计数器:
T0和T1,它们既可以工作于定时模式,也可以工作于外部事件计数模式,此外,T1还可以作为串行口的波特率发生器。
2.1.2LCD液晶显示器模块
由于本设计中要求显示界面显示一些参数,因此这里选用了LCD1602作为界面显示,可以把一些相关的参数进行显示。
2.1.2.1液晶原理介绍
液晶显示器(LCD)英文全称为LiquidCrystalDisplay,它一种是采用了液晶控制透光度技术来实现色彩的显示器。
和CRT显示器相比,LCD的优点是很明显的。
由于通过控制是否透光来控制亮和暗,当色彩不变时,液晶也保持不变,这样就无须考虑刷新率的问题。
显示接口用来显示系统的状态,命令或采集的电压数据。
本系统显示部分用的是LCD液晶模块,采用一个16×2的字符型液晶显示模块。
点阵图形式液晶由M行×N列个显示单元组成,假设LCD显示屏有64行,每行有128列,每8列对应1个字节的8个位,即每行由16字节,共16×8=128个点组成,屏上64×16个显示单元和显示RAM区1024个字节相对应,每一字节的内容和屏上相应位置的亮暗对应。
一个字符由6×8或8×8点阵组成,即要找到和屏上某几个位置对应的显示RAM区的8个字节,并且要使每个字节的不同的位为‘1’,其它的为‘0’,为‘1’的点亮,为‘0’的点暗,这样一来就组成某个字符。
但对于内带字符发生器的控制器来说,显示字符就比较简单了,可让控制器工作在文本方式,根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数找出显示RAM对应的地址,设立光标,在此送上该字符对应的代码即可。
2.1.2.2液晶模块简介
LCD1602液晶模块采用HD44780控制器,hd44780具有简单而功能较强的指令集,可以实现字符移动,闪烁等功能,LM016L与单片机MCU通讯可采用8位或4位并行传输两种方式,hd44780控制器由两个8位寄存器,指令寄存器(IR)和数据寄存器(DR)忙标志(BF),显示数RAM(DDRAM),字符发生器ROMA(CGOROM)字符发生器RAM(CGRAM),地址计数器RAM(AC)。
IR用于寄存指令码,只能写入不能读出,DR用于寄存数据,数据由内部操作自动写入DDRAM和CGRAM,或者暂存从DDRAM和CGRAM读出的数据,BF为1时,液晶模块处于内部模式,不响应外部操作指令和接受数据,DDTAM用来存储显示的字符,能存储80个字符码,CGROM由8位字符码生成5*7点阵字符160中和5*10点阵字符32种.8位字符编码和字符的对应关系,CGRAM是为用户编写特殊字符留用的,它的容量仅64字节,可以自定义8个5*7点阵字符或者4个5*10点阵字符,AC可以存储DDRAM和CGRAM的地址,如果地址码随指令写入IR,则IR自动把地址码装入AC,同时选择DDRAM或CGRAM,LCD1602液晶模块的引脚图如图2-3所示。
图2-3LCD1602引脚图
液晶寄存器选择控制如表2-1。
表2-1寄存器选择控制
RS
R/W
操作说明
0
0
写入指令寄存器(清除屏等)
0
1
读busyflag(DB7),以及读取位址计数器(DB0~DB6)值
1
0
写入数据寄存器(显示各字型等)
1
1
从数据寄存器读取数据
2.1.3主控模块的选型和论证
方案一:
采用MSP430系列单片机,该单片机是TI公司1996年开始推向市场的一种16位超低功耗的混合信号处理器。
其内部集成了很多模拟电路、数字电路和微处理器,提供强大的功能。
不过该芯片昂贵不适合一般的设计开发。
方案二
采用51系列的单片机,该单片机是一个高可靠性,超低价,无法解密,高性能的8位单片机,32个IO口,且STC系列的单片机可以在线编程、调试,方便地实现程序的下载与整机的调试。
因此选用方案二中的51系列单片机作为主控芯片。
2.1.4显示模块的选型和论证
方案一:
采用点阵式数码管显示,点阵式数码管是由八行八列的发光二极管组成,对于显示文字比较合适,如采用在显示数字显得太浪费,且价格也相对较高,所以不用此种作为显示。
方案二:
采用LED数码管动态扫描,LED数码管价格虽适中,对于显示数字也最合适,而且采用动态扫描法与单片机连接时,占用单片机口线少。
但是由于数码管动态扫描需要借助74LS164移位寄存器进行移位,该芯片在电路调试时往往有很多障碍,所以不采用LED数码管作为显示。
方案三:
采用LCD液晶显示屏,液晶显示屏的显示功能强大,可显示大量文字,图形,显示多样,清晰可见,对于本设计而言一个LCD1602的液晶屏即可,价格也还能接受,需要的借口线较多,但会给调试带来诸多方便。
所以本设计中方案三中的LCD1602液显示屏作为显示模块。
2.1.5放大电路的选型和论证
方案一:
采用集成运放作为放大电路,该电路只需要在外部配置少量电阻电容则能完成放大功能,十分方便设计,但是本设计需要放大1HZ到10MHZ的信号,通频带比较宽,因此对集成运放的要求较高,一般能处理宽带信号的集成运放成本比较高。
方案二:
采用三极管或者场效应管作为放大电路,三极管放大电路所需要原件较为简单容易购置,而且电路较为成熟,三极管的价格也十分低廉,而且三极管电路性能优越,是作为一个低成本的放大电路的不二之选。
所以本设计中选用三极管为放大电路中使用。
2.2软件部分
2.2.1软件工具介绍
单片机程序编写使用的是《keil》,它是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统,与汇编相比,C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势,因而易学易用。
Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案,通过一个集成开发环境(μVision)将这些部分组合在一起。
运行Keil软件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。
电路设计使用的是《protel99se》,按照系统功能来划分,Protel99se主要包含以下俩大部分和6个功能模块[14]。
电路工程设计部分:
(1)电路原理设计部分(AdvancedSchematic99):
电路原理图设计部分包括电路图编辑器(简称SCH编辑器)、电路图零件库编辑器(简称Schlib编辑器)和各种文本编辑器。
本系统的主要功能是:
绘制、修改和编辑电路原理图;更新和修改电路图零件库;查看和编辑有关电路图和零件库的各种报表。
(2)印刷电路板设计系统(AdvancedPCB99):
印刷电路板设计系统包括印刷电路板编辑器(简称PCB编辑器)、零件封装编辑器(简称PCBLib编辑器)和电路板组件管理器。
本系统的主要功能是:
绘制、修改和编辑电路板;更新和修改零件封装;管理电路板组件。
(3)自动布线系统(AdvancedRoute99):
本系统包含一个基于形状(Shape-based)的无栅格自动布线器,用于印刷电路板的自动布线,以实现PCB设计的自动化。
电路仿真与PLD部分:
(1)电路模拟仿真系统(AdvancedSIM99):
电路模拟仿真系统包含一个数字/模拟信号仿真器,可提供连续的数字信号和模拟信号,以便对电路原理图进行信号模拟仿真,从而验证其正确性和可行性。
(2)可编程逻辑设计系统(AdvancedPLD99):
可编程逻辑设计系统包含一个有语法功能的文本编辑器和一个波形编辑器(Waveform)。
本系统的主要功能是;对逻辑电路进行分析、综合;观察信号的波形。
利用PLD系统可以最大限度的精简逻辑部件,使数字电路设计达到最简化。
(3)高级信号完整性分析系统(AdvancedIntegrity99):
信号完整性分析系统提供了一个精确的信号完整性模拟器,可用来分析PCB设计、检查电路设计参数、实验超调量、阻抗和信号谐波要求等[15]。
2.2.2模块流程图
本系统以单片机为控制核心,对系统进行初始化,主要完成液晶显示、频率测量、放大整形滤波等功能的控制,起到总控和协调各模块之间工作的作用。
图2-4系统结构框图
本系统结构如图2-1所示,本设计可分为以下模块:
三极管放大电路、整形电路、分频电路、液晶模块。
下面对各个模块的设计方案逐一进行论证分析。
第3章实现功能
3.1实现功能描述
(1)能够对1HZ对10MHZ正弦波、三角波、方波信号等周期信号的频率进行测量
(2)系统能够把测量信号的频率显示在液晶屏幕上。
(3)系统能够把测量信号的周期显示在液晶屏幕上。
3.2电路设计
系统整体原理图
图3-1系统整体原理图
3.2.1主控模
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